卜 凡 何夕平 朱智修

(安徽建筑大學土木工程學院 安徽合肥 230601)

屋架作為屋面結構的主要支撐部件一般多用三角形，由上弦、下弦及垂直腹桿和斜腹桿組成，根據(jù)材料不同有木屋架、鋼屋架及鋼筋混凝土屋架等[1]，目前常見于傳統(tǒng)民用建筑中。而在傳統(tǒng)的民用建筑的建設中，大多只是根據(jù)經驗進行，缺乏一定的理論基礎,故近年來，民間自建房建設過程當中事故頻發(fā)。屋架結構作為房屋屋面的支撐結構，若其在建設或使用過程中出現(xiàn)破壞，則所引發(fā)的事故和經濟損失往往較大。目前一些傳統(tǒng)民居經過第一次自然災害或年久失修的原因進行了翻修。翻修過后往往用鋼屋架代替木屋架，與傳統(tǒng)木屋架相比，鋼屋架質量更加小，節(jié)點一般為焊接等優(yōu)勢，但因其持續(xù)暴露在空氣當中，對其安全性與使用性有很大的影響[2]。在此背景下，文章將以安徽省合肥市某一農村自建房中的鋼屋架與木屋架為例進行研究，根據(jù)其受力情況進行分析，為民用建筑采用鋼屋架提供借鑒與參考。

1工程概況

該工程為一傳統(tǒng)民建房到雙坡面鋼結構屋架，由圖1可看出，屋架與上部結構接觸部位僅僅是幾個節(jié)點。故在此屋架范圍內，上部荷載都是通過垂直腹桿與上旋桿節(jié)點處直接傳遞至整個屋架，屋架再將力傳遞至墻上。屋架兩端砌筑于墻體當中。如圖1所示，為安徽省合肥市某一農村自建房鋼屋架，而傳統(tǒng)民居多為木質屋架。屋架形式為三角形，屋架跨度為6m，高為1.5m。外表已開始銹蝕，下弦每隔1m均焊制一豎向垂直腹桿并以斜腹桿相連。所有桿件截面截面均為60mm×60mm，厚度3.0mm的矩形鋼管構件。每個垂直腹桿與上弦交點處所受均為集中荷載。每點經計算所受荷載為3.5KN。

圖1 某一民用建筑鋼屋架

2相關理論

該屋架構件間連接形式均設置為剛接，支座設置為鉸接[3-5]。各構件均為鋼構件，垂直腹桿與上旋桿節(jié)點處主要所受外力為集中荷載，保證結構和各構件的穩(wěn)定性，是鋼結構設計過程中的重要內容。故在實際使用中屋架應滿足必要的穩(wěn)定性。經長期的工程實踐經驗，對軸心受力構件剛度的限制，需對構件長細比作出要求：

(1)

式(1)中：λ為構件的長細比；l0為構件計算長度；I為構件截面慣性矩。

軸心受壓構件穩(wěn)定性計算公式：

(2)

式中：φ為構件的穩(wěn)定性系數(shù)。

兩端嵌固的軸壓桿，臨界應力為：

(3)

在實際工程當中，構件不僅僅受軸心壓力的作用，也受到彎曲和扭轉的作用。這時桿件受力情況較為復雜，為了精確求解其受力狀態(tài)，通常借助相關軟件進行分析求解。

3模型建立

為了更加直觀地體現(xiàn)屋架承受荷載作用后的變形及位移情況，文章利用有限元軟件MIDAS進行屋架的受力模擬分析。為了更加精確地模擬本工程的實際受力狀態(tài)，此次模擬過程中，只考慮桿件自重與節(jié)點荷載對整個屋架的穩(wěn)定性影響，屋面建筑做法與形式忽略不計，只考慮其傳遞荷載方式與大小。

文章所研究的屋架基本參數(shù)為：各截面尺寸均為50mm×60mm，厚度2.0mm的矩形鋼管構件。整體屋架為軸對稱結構。下弦桿總長6000mm，中部垂直腹桿長1500mm，可直接看出最兩端垂直腹桿為零桿，力的作用點位于上旋桿與垂直腹桿交點處。節(jié)點均設置為剛節(jié)點。該模型中鋼材使用Q235級，所用的材料均為各向同性材料，材料屬性如表1所示。

表1 材料屬性

根據(jù)有關數(shù)據(jù)進行建模，先定義好相關材料屬性和設置截面相關信息，再進行進行基本結構的建立，通過“建立單元”選項設置上旋桿與斜腹桿。模型建立時，程序默認兩節(jié)點間為一個單元，為了計算的準確與便捷，通過“分割單元”選項將默認單元再次進行網(wǎng)格劃分生成有限元模型。

依據(jù)上述構件尺寸，建立相應的關鍵點，對關鍵點賦予相應的屬性，單元選取3D實體單元，更好的反應實際受力狀態(tài)，進行網(wǎng)格劃分。即可生成鋼屋架的有限元模型。屋架模型建立完成之后，先對模型進行邊界條件設置，通過一般支承選項，對屋架兩端進行鉸支座設置并將各節(jié)點設置為剛性節(jié)點。為了計算簡便，將屋架承受屋面的荷載進行換算，經過計算得出相應節(jié)點處所承受的荷載為3.5KN。在軟件中選定靜力荷載類型，依次進行建立荷載工況信息，添加節(jié)點荷載等步驟。完成情況如圖2所示，模型建立完成。

圖2 屋架受力圖

4模擬分析

模擬的情況為僅考慮正常使用狀態(tài)下的屋架受力情況，即屋架在正常工作時的受力狀態(tài)。直接運行軟件，通過靜力分析的方法，運算結果如圖3和圖4所示。

圖3 屋架彎矩圖

圖4 屋架軸力圖

根據(jù)圖3彎矩圖可看出，屋架支撐位置承受荷載最大，因屋架結構為一整體的剛性體，外部荷載最終通過支撐位置傳遞至墻體，固支座位置處受力較大。此模型大致模擬支座處屋架的受力情況。因墻體與屋架接觸面積較大，實際屋架兩端處彎矩應小于模擬結果。由圖4可以看出，此屋架在上旋處受力較大，而由于斜腹桿與垂直腹桿的作用上旋桿軸力分為三段，越接近支座處上旋桿軸力越大。下弦桿與側垂直腹桿基本不受力，軸力最大處為19.3KN。

根據(jù)圖5可以分析屋架在正常使用狀態(tài)下的應力變化，在支座節(jié)點處出現(xiàn)應力集中現(xiàn)象，數(shù)值大小為43.70N/mm2，遠小于規(guī)范允許限值。根據(jù)圖6變形圖可看出屋架整體向下變形，支座處因約束作用保持不變。變形最大值為0.94mm，遠小于規(guī)范限值要求。故正常使用情況下，次屋架不會出現(xiàn)受力破壞，且安全儲備較大。

圖5 屋架應力圖

圖6 屋架變形圖

5結論

該分析建立的是理想桿件狀態(tài)下的有限元模型，進行承載能力計算分析。通過上述有限元建模分析，得到以下結論：

(1)整體屋架鋼材截面尺寸相同，但所承載的力并不相同。因為各節(jié)點為剛接，故應力主要集中于上旋桿處，這也說明了上旋桿在整個結構中起到主要的承載作用，在實際上設計當中需要確保上旋桿的受力性能穩(wěn)定。就該工程來說，整體屋架受力性能良好，安全儲備較大。

(2)腹桿與下懸桿所承受彎矩與軸力作用較小，其所受應力也較小。設計時可酌情減小其尺寸，避免浪費。

(3)因屋架兩端為剛節(jié)點且位于支撐點處，因此屋架兩端應力較大，此位置為鋼屋架受力中最不利點。故在實際工程建設中，應注意加強支撐點處的強度。

(4)因為鋼屋架長期暴露與空氣當中，容易發(fā)生銹蝕。而此工程屋架已發(fā)生銹蝕現(xiàn)象，銹蝕后，鋼材性能將發(fā)生較大變化，在使用過程中將有較大的安全隱患，故應注采取必要的防銹措施。